Halbleiter-Schalter

Halbleiter sind Materialien, deren elektrische Widerstand eingestellt werden kann. Der Widerstand ändert sich mit angelegter Spannung.

Ein Halbleiter-Schalter weist zwei oder drei Anschlüsse auf. Betrachten wir zunächst steuerbare Schalter mit drei Anschlüssen.

Es gibt für diesen physikalischen Effekt ein Bild, mit dem man sich die prinzipiellen Vorgänge im Schalter visualisieren kann. Zwischen den Schaltanschlüssen soll Strom fließen. Der Widerstandswert des Schalters soll über den Steuereingang vorgegeben werden. Dafür ist ein „Halbleiter“ zwischen den drei Metallanschlüssen verbaut. Der Halbleiter hat einen über den Steuereingang einstellbaren Widerstand.

Der Halbleiter ist zunächst nichtleitend, so lange am Steuereingang keine Spannung anliegt. Der Widerstand des grauen Bereichs ist sehr hoch. Bei steigender Steuerspannung verschiebt sich im Halbleiter ein leitfähiger Bereich, dessen Widerstand sehr gering ist. Über die Höhe der Steuerspannung bestimmen wir, wie sich dieser leitfähige Bereich zwischen den Schaltanschlüssen ausbildet. Je höher die Spannung ist, desto weiter schiebt sich der leitfähige Bereich nach unten. Es ist so, als ob sich ein leitfähiges Dreieck von oben nach unten über den nicht leitfähigen Halbleiter schiebt.

Liegt keine Steuerspannung an, liegt zwischen den Schaltanschlüssen links und rechts nur der nicht leitfähiger Halbleiter. Es fließt kein Strom. Wird die Steuerspannung nur geringfügig erhöht, sinkt das leitfähige Dreieck von oben nur wenig nach unten zwischen die Schaltanschlüsse (oben links). Es bildet sich kein leitfähiger Weg von links nach rechts aus, weil durch das graue Material kein Strom fließt. Übersteigt die Steuerspannung eine Schwelle, ist das blaue Dreieck so weit abgesunken, dass sich von links nach rechts ein durchgehender leitfähiger Kanal ausbildet. Es kann Strom fließen (unten links).

Der Widerstand zwischen den Schaltanschlüssen von links nach rechts wird folgendermaßen bestimmt:

Je weiter das Dreieck nach unten sinkt, desto breiter wird der leitfähige blaue Kanal. Damit steigt die Fläche A des blauen Bereichs an. Der Widerstand zwischen den Schaltanschlüssen sinkt. Ab einer bestimmten Spannung ist der graue Bereich vollständig vom blauen Dreieck verdeckt. Es ist unerheblich, ob die Steuerspannung danach noch weiter gesteigert wird, der Widerstand zwischen den Steueranschlüssen sinkt nicht weiter (unten rechts).

Wenn das Dreieck vollständig im Halbleiter verschwunden ist, ist der Widerstand zwischen den Schaltanschlüssen minimal. Der kleinste mögliche Widerstand wird als „ON-Widerstand“ bezeichnet. Der ON-Widerstand beträgt nicht 0Ω, er ist aber sehr gering und liegt im Bereich von 10..100 mΩ.

Der OFF-Widerstand bezeichnet den größten Widerstand des Halbleiterschalters. Das Dreieck ist noch gar nicht in den Kanal abgesunken, die Steuerspannung beträgt 0V oder sie ist negativ. Der OFF-Widerstand ist nicht unendlich hoch, er liegt im Bereich von 100MΩ … GΩ.

Sie sehen, dass ein realer Schalter nicht nur die Zustände offen und geschlossen kennt. Sie können mit so einem Schalter auch beliebige Zwischenzustände mit Widerstandswerten zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert erreichen. Dafür müssen Sie die Steuerspannung entsprechend einstellen, so dass sich das Dreieck auf die gewollte Tiefe absenkt.

Beachten Sie bitte, dass dieses anschauliche Bild des Verhaltens eines Halbleiterschalters nur eine Verständnishilfe ist und nicht die Physik eines Halbleiterschalters abbildet. Es lehnt sich an die Funktionsweise eines selbstsperrenden n-Kanal MOSFET-Schalters an. In diesem Tutorial tauchen wir bewusst nicht tiefer in die Halbleiterphysik ein, denn Sie werden voraussichtlich in Ihrem Leben keine Halbleiter entwickeln oder optimieren.

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